[论文解读] Neutrino mass in a gauged $L_μ- L_τ$ model

Chuan-Hung Chen, Takaaki Nomura|arXiv (Cornell University)|May 30, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种规范化的 $L_\mu - L_\tau$ 模型，包含一个希格斯三重态、两个单态标量以及两个矢量型双态轻子，通过轻子数破坏和自发 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 对称性自发破缺生成中微子质量。该模型实现了 Frampton-Glashow-Marfatia 两零纹理中微子质量矩阵，得到 $\sum |m_j| < 0.12$ eV 以及 $\langle m_{\beta\beta} \rangle = (0.34, 2.3) \times 10^{-2}$ eV，同时当 $v_\Delta \sim 0.01$ GeV 且 $Y_{45} \sim 0.05$ 时，可实现 $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$ 通道的 10% 水平可观测衰变。该模型还预测了相关联的轻子味破坏过程，如 $h \to \mu\tau$ 和 $\tau \to \mu Z'Z'$，可在 Belle II 实验中检验。

ABSTRACT

We study the origin of neutrino mass through lepton-number violation and spontaneous $U(1)_{L_μ-L_τ}$ symmetry breaking. To accomplish the purpose, we include one Higgs triplet, two singlet scalars, and two vector-like doublet leptons in the $U(1)_{L_μ-L_τ}$ gauge extension of the standard model. To completely determine the free parameters, we employ the Frampton-Glashow-Marfatia (FGM) two-zero texture neutrino mass matrix as a theoretical input. It is found that when some particular Yukawa couplings vanish, an FGM pattern can be achieved in the model. Besides the explanation of neutrino data, we find that the absolute value of neutrino mass $m_j$ can be obtained in the model, and their sum can satisfy the upper bound of the cosmological measurement with $\sum_j |m_j| &lt; 0.12$ eV. The effective Majorana neutrino mass for neutrinoless double-beta decay is below the current upper limit and is obtained as $\langle m_{ββ} angle =(0.34,\, 2.3) imes 10^{-2}$ eV. In addition, the doubly charged Higgs $H^{\pm\pm}$ decaying to $μ^\pm τ^\pm$ final states can be induced from a dimension-6 operator and is not suppressed, and its branching ratio is compatible with the $H^{\pm \pm} o W^\pm W^\pm$ decay when the vacuum expectation value of Higgs triplet is $O(0.01)$ GeV.

研究动机与目标

• 通过 SM 的最小规范扩展，解释中微子质量的起源，其机制为轻子数破坏和 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 对称性的自发破缺。
• 将 Frampton-Glashow-Marfatia (FGM) 两零纹理中微子质量矩阵作为理论输入，以约束模型参数。
• 满足宇宙学对中微子质量总和的约束（$\sum |m_j| < 0.12$ eV）以及无中微子双贝塔衰变有效马约拉纳质量的上限。
• 探索味物理与强子对撞机现象学中的可行信号，包括轻子味破坏衰变和双荷荷玻色子衰变。

提出的方法

• 引入一个超荷为 $Y=1$、$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 电荷为零的希格斯三重态，以介导轻子数破坏。
• 引入两个具有相反 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 电荷的单态标量，以实现规范对称性的自发破缺，从而实现马约拉纳质量的生成。
• 引入两个矢量型双态轻子，以介导 SM 轻子与单态标量之间的耦合，同时保持规范不变性。
• 将 FGM 两零纹理作为理论输入，以固定中微子质量矩阵的自由参数，从而减少参数空间。
• 利用 $Y_{45}$ 可见耦合，通过一个六维算符生成显著的 $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$ 衰变振幅，补充树图级的 $W^\pm W^\pm$ 衰变。
• 使用有效拉格朗日量计算 $h \to \mu\tau$、$\tau \to \mu Z'Z'$ 和 $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$ 的分支比，并与实验灵敏度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个包含希格斯三重态、两个单态标量和两个矢量型轻子的规范化的 $L_\mu - L_\tau$ 模型，能否通过 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 对称性的自发破缺生成一个现实的中微子质量矩阵？
• RQ2 当特定的 Yukawa 耦合为零时，该模型是否能实现 Frampton-Glashow-Marfatia 两零纹理中微子质量矩阵？
• RQ3 该模型能否满足对中微子质量总和（$\sum |m_j| < 0.12$ eV）以及无中微子双贝塔衰变中有效马约拉纳质量 $\langle m_{\beta\beta} \rangle$ 上限的宇宙学约束？
• RQ4 该模型对轻子味破坏过程（如 $h \to \mu\tau$、$\tau \to \mu Z'Z'$ 和 $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$）有何现象学影响？
• RQ5 $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$ 衰变的分支比是否足够大，可在未来对撞机或 B-工厂中被探测到？

主要发现

• 当特定 Yukawa 耦合为零时，该模型实现了 FGM 两零纹理中微子质量矩阵，从而完全确定了自由参数。
• 中微子质量总和满足宇宙学上限：$\sum |m_j| < 0.12$ eV，与当前宇宙学测量一致。
• 无中微子双贝塔衰变的有效马约拉纳中微子质量为 $\langle m_{\beta\beta} \rangle = (0.34, 2.3) \times 10^{-2}$ eV，低于当前实验上限。
• 当 $v_\Delta \sim 0.01$ GeV 且 $Y_{45} \sim 0.05$ 时，$H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$ 衰变分支比可达到 $W^\pm W^\pm$ 衰变的 10%，使其成为一个可行的发现通道。
• 该模型预测了 $BR(h \to \mu\tau)$ 与 $BR(\tau \to \mu Z'Z')$ 之间的相关性，后者可达 $10^{-9}$，在 Belle II 实验以 50 ab$^{-1}$ 数据量下具有可探测性。
• $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$ 衰变由一个六维算符诱导，且不被抑制，其中 $Y_{45}$ 耦合在增强分支比中起关键作用。